基于AD7862和dsPIC30F的數據采集系統

李媛媛， 楊魯發， 張大磊， 戴 舒

（1.華北電力大學 電子與通信工程系，河北 保定 071003；2.秦皇島職業技術學院 機電工程系，河北 秦皇島 066100）

在現代控制系統中，數據采集系統就像控制系統的“眼睛”和“耳朵”一樣，成為控制系統不可或缺的重要部分。它是各種控制系統獲取信息的一種重要途徑。由于數據采集系統的精度和實時性對于整個控制系統的性能至關重要[1]，所以必須合理設計使其能提供預期的采樣速度、達到一定的轉換精度，并應該做到電路簡單、抗干擾性能強[2]。本采集系統采用ADI公司生產的12位模數轉換器AD7862，它是一款高速、低功耗、雙核12位模數轉換器。能夠滿足系統對采樣精度和采樣速度的要求。控制器件采用dsPIC30F6010A數字信號控制芯片，它是Microchip公司生產的高性能16位數字信號控制器，內核包含一個DSP引擎，從而能夠顯著增強系統的運算和吞吐能力。

在某些數據采集系統中,不僅對數據采集系統的精度和實時性提出要求，而且要求其具有數據存儲功能，為了實現存儲功能，本系統使用SD卡。SD卡（Secure Digital Memory Card）為安全數碼卡，是一種基于半導體快閃記憶器的新一代記憶設備，它具有存儲容量大，速度快等特點，被廣泛用于便攜式裝置上。

1 AD7862簡介

（ADC），采用+5 V單電源供電。該器件內置2個4 μs逐次逼近型ADC、2個采樣保持放大器、1個+2.5 V內部基準電壓源和1個高速并行接口[3]。其內部結構如圖1所示。

圖1 AD7862內部結構

由于AD7862內置2個ADC和2個采樣保持放大器，可以對2路模擬輸入信號進行同時采樣和轉換，從而保留這兩個模擬輸入信號的相對相位信息。這一功能適用在逆變器采集系統中。它共有4個模擬輸入，分成2個通道（A和B），通過A0輸入選擇通道。每個通道的2個輸入（VA1與VA2或VB1與VB2）使用不同的ADC和采樣保持放大器可同時進行采樣

AD7862是一款高速、低功耗、雙核12位模數轉換器和轉換。該器件可接收的模擬輸入范圍為±10 V（AD7862-10）、±2.5 V（AD7862-3）和 0～2.5 V（AD7862-2）。 本系統采用AD7862-10。模擬輸入均具有過壓保護，允許輸入電壓分別達到±17 V、±7 V或+7 V而不會造成損壞。

圖2 AD7862的時序

2 dsPIC30F6010A簡介

16 位dsPIC30F6010A數字信號控制器是16位處理器系列[4]。它是dsPIC30F電機控制和電源轉換系列，用于支持電機控制應用，也適用于不間斷電源、逆變器、開關電源及相關設備。

內部有144 KB片上閃存程序空間，8 KB片上數據RAM，4 KB非易失性數據EEPROM；工作速度最高可達30 MI/s；5個16位定時器/計數器；可選擇將16位定時器配對組成32位定時器模塊；16位捕捉輸入功能；8個PWM輸出通道：具有互補或獨立輸出模式、邊沿對齊模式和中心對齊模式，4個占空比發生器、互補模式的死區時間控制；2個UART、2個SPI、1個I2C總線和2個CAN總線；最大I/O引腳數為68個。

dsPIC30F6010A處理器采用改進的哈佛架構，具有獨立的程序和數據存儲器總線。在執行訪問數據RAM當前指令的同時可從程序存儲器中預取下一條指令，這就加快了處理速度。數據空間為64 KB，大多數指令將其看作一個線性地址空間。當使用某些DSP指令，如DSP乘法指令時，該存儲空間被分成2塊，分別稱為X和Y數據空間。因此，這些DSP指令支持雙操作數讀操作，即，同一條指令可同時從X存儲空間和Y存儲空間中取數據。

3 系統設計

本采樣系統主要分為硬件部分設計和軟件部分設計。硬件部分是以dsPIC30F6010A為控制和處理核心，去控制AD7862和SD卡來實現數據的高精度、實時采集和實時存儲。信號的高精度和實時模數轉換由AD7862來實現，數據的存儲由控制器通過SPI接口訪問SD卡來實現。軟件部分主要由控制器I/O引腳的初始化、模數轉換開始控制、數據讀取和數據存儲等部分組成。

3.1 硬件部分實現

AD7862還產生BUSY信號，通過它告知控制器A/D轉換完成，可以讀取結果。dsPIC30F6010A的中斷控制器支持5種外部中斷請求信號：INT0～INT4。這些輸入是邊沿敏感的；它們要求一個由低到高或由高到低的跳變以產生一個中斷請求。INTCON2寄存器具有5個位（INT0EP～INT4EP），用于選擇邊沿檢測電路的極性。本系統中采用由高到低的跳變產生中斷請求，BUSY控制信號與dsPIC30F6010A的INT0相連。數據轉換結果通過dsPIC30F6010A的I/O口，讀到控制器內部。AD7862與控制器的電路連接圖如圖3所示。

圖3 AD7862與控制器的電路連接

系統的數據存儲載體為SD卡。SD卡的技術是基于Multi Media卡（MMC）格式上發展而來，大小和MMC差不多，SD卡與MMC卡保持著向上兼容。SD卡是東芝公司在MMC卡技術中加入加密技術硬件而成，所有SD卡都必須支持較老的SPI/MMC模式。SD卡的接口支持SD和SPI兩種操作模式。主機系統可以選擇其中任意模式。SD卡模式允許4線的高速數據傳輸，傳輸速率高，但是大部分單片機無此接口，使用軟件模擬協議復雜。SPI模式使用簡單通用的SPI通道接口就可實現數據傳輸，目前大多數單片機提供SPI接口[5]。本設計采用SPI模式，利用dsPIC30F6010A的SPI接口訪問SD卡。SD卡使用的電壓為3.3 V，具體電路連接如圖4所示。

圖4 控制器與SD卡的接口

3.2 軟件部分實現

軟件部分流程如圖5所示，系統啟動后先初始化I/O、SD卡、AD7862和設置INT0中斷，為A/D采樣和數據存儲做準備。由于AD7862有兩個通道，需對這兩個通道分別進行A/D轉換，先采樣A通道后采樣B通道，具體是哪個通道由A0決定，也就是控制器的RB8引腳。

圖5 數據采集存儲流程圖

數據采集過程中要獲知A/D轉換已結束的方法有[6]：

1）定時 使用定時器，轉換開始后過一段時間讀取轉換結果；

2）掃描 掃描BUSY引腳，當變為低電平時，即可知轉換結束，讀取轉換結果；

3）中斷 BUSY作為中斷信號，輸入到INT0中，并設置為從高到低觸發中斷，當轉換結束后，BUSY信號由高變低，觸發中斷。

本系統采用第3種方法，即中斷方法。中斷服務子程序如圖6所示，進入中斷服務子程序后，首先清中斷標示，然后分兩次讀取，即VX1和VX2（X代表A或B），讀完之后對數據進行處理并存儲到SD卡相應位置中，最后置采樣結束標示。

圖6 中斷程序子程序

4 結束語

數據采集系統采用dsPIC30F6010A、AD7862和SD卡組成了高性能12位并行數據采集及存儲系統。介紹了硬件電路的連接，然后進行了數據采集的軟件設計與實現。實踐表明，通過對模數轉換器件的正確使用，完全可以達到很高的采樣精度，并能滿足系統實時性的需要。通過外擴模擬電路部分，可以用于各種高精度高速的數據采集存儲系統。

[1]周 林，殷 俠.數據采集與分析技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2005.

[2]劉 強，謝 川，楊文通.12位高速數據采集系統的設計[J].微計算機信息，2006（8）：97-99.

[3]Analog Devices.AD782Datasheet[EB/OL].http：//www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD7862.pdf.

[4]Microchip.dsPIC30F6010A/6015 Data sheet[DB/OL].http：//ww1.microchip.com/downloads/cn/DeviceDoc/cn530931.pdf.

[5]朱大銳，張團善，高 文.ATmega128L單片機的Micro SD卡讀寫[J].單片機與嵌入式系統應用，2009（5）：37-39.

[6]張毅坤，陳善久，裘雪紅.單片機微型計算機原理及應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2004.